宇宙飛船中的仿生學

　　仿生學是1960年正式誕生的一門綜合性的邊緣科學。它研究生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性質(zhì)、能量轉(zhuǎn)換和信息傳遞過程，并用所獲得的知識改善現(xiàn)有的或創(chuàng)造嶄新的機械、儀器、建筑結(jié)構(gòu)和工藝過程。
　　載人宇宙飛船是一種能保障宇航員在太空執(zhí)行航天任務并安全返回地面的航天器。科學家們在各類生物的啟示下，運用仿生學原理，為宇宙飛船的設(shè)計、工作、運行、故障分析等提供了最為可靠的參考。
　　
　　人眼結(jié)構(gòu)的啟示
　　
　　人眼可以對比周圍的景物，使人感知自身的運動和位置狀態(tài)，確定物體的遠近、形狀和相對大小。科學家們由此得到啟示，研制成功了一種叫做“生物——電子位置傳送器”的“人造眼”。這種技術(shù)裝置可以用來自動控制宇宙飛船下降階段的制導。
　　
　　蒼蠅的啟示
　　
　　蒼蠅的復眼包含4000個可獨立成像的單眼，能看清幾乎360度范圍內(nèi)的物體。在蠅眼的啟示下，人們制成了由1300多塊小透鏡組成的一次可拍攝1300多張高分辨率照片的蠅眼照像機，在航天上被廣泛應用。
　　蒼蠅能連續(xù)飛行幾小時不降落，飛行時速高達20千米。它不需要滑行，能沿與地面呈30度的角度迅速起飛，可在空中急停、急轉(zhuǎn)彎，垂直上升、下降，著陸動作也很輕快。科學家研究發(fā)現(xiàn)，原來在蒼蠅翅膀后面還有一對小的翅膀一一楫翅，它像船的槳和舵一樣既能控制蒼蠅的飛行方向，又能控制它們的身體平衡。科學家在楫翅的啟示下，制成了諧振陀螺儀，用在火箭及飛船上，大大提高了飛行器自動控制系統(tǒng)的性能。
　　宇宙飛船上天要使用多級火箭。為了減少火箭的負擔，飛船的體積很小，除了宇航員必需的工作、生活空間外，沒有一點富余。在這極其有限的太空艙里除了要保證有充足的氧氣外，還不能有絲毫的有毒氣體，否則在密封艙內(nèi)的宇航員將有性命之憂。所以，必須要在太空艙內(nèi)安裝高效、高靈敏度的氣體分析儀，以保證宇航員的安全和科研工作的順利進行。人們經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，蒼蠅就具有高效檢測氣體的本領(lǐng)。仿生學家由此得到啟發(fā)，根據(jù)蒼蠅嗅覺器官的結(jié)構(gòu)和功能，成功仿制出一種小型氣體分析儀。這種儀器的“探頭”不是金屬，而是活的蒼蠅。就是把非常纖細的微電極插到蒼蠅的嗅覺神經(jīng)上，將引導出來的神經(jīng)電信號經(jīng)電子線路放大后，傳送到分析器；分析器一旦發(fā)現(xiàn)異常，便能發(fā)出警報。這種儀器已經(jīng)被安裝在宇宙飛船里，用來檢測艙內(nèi)氣體的成分。
　　
　　馬腿骨骼結(jié)構(gòu)的啟示
　　
　　馬是陸地上奔跑速度最快、耐力最強的哺乳動物之一，它們奔跑姿態(tài)優(yōu)美，輕快如飛。那么，馬奔跑時輕快如飛的秘訣到底是什么呢?美國科學家拉普夫經(jīng)過長達3年的研究發(fā)現(xiàn)，馬腿骨骼的構(gòu)造十分奇特，其第三掌骨上有一個毫不起眼的天然小孔，這使馬腿能在奔馳中單腿承受身體重量和空氣阻力帶來的強大壓力。
　　研究小組以電腦模型為基礎(chǔ)，制造出一塊“仿生板”，作為應用于飛機或宇宙飛船材料結(jié)構(gòu)的原型。他們特意在“仿生板”上做了一個小孔，孔的四周噴上聚氨酯泡沫塑料，以此來模擬馬腿第三掌骨小孔周圍骨的構(gòu)造。科學家通過研究證明，“仿生板”具有超強的抗壓能力，對于必須長期面對強大氣流壓力的宇宙飛船等飛行器來說具有重要的應用價值。
　　
　　蜂房構(gòu)造的啟示
　　
　　為了使宇宙飛船達到足夠的飛行速度，運載火箭必須提供相當大的推力。飛船自身重量越輕，就越能減輕運載火箭身上的“包袱”，也就能使飛船飛得更高、更遠。為減輕飛船的重量，科學家們從蜂窩的結(jié)構(gòu)中得到了啟發(fā)。
　　蜂窩是由一些一個挨一個，排列得整整齊齊的六角小蜂房組成的。其實蜂房不是純粹的六棱柱形，而是底部由三個菱形拼成的“尖項六棱柱形”。我國數(shù)學家華羅庚精確計算后指出：在蜜蜂身長、腰圍確定情況下，尖項六棱柱形蜂房用料最省。
　　于是，在制造飛船時，人們先將金屬材料做成蜂房形狀，然后再用兩塊金屬板把它夾起來就成了蜂窩結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的飛行器容量大，強度高，且自重輕，也不易傳導聲音和熱量。因此，今天的宇宙飛船等飛行器都采用了這種蜂窩結(jié)構(gòu)。
　　
　　花瓣構(gòu)造的啟示
　　
　　太陽帆，也被稱為光帆，是使用輕質(zhì)而巨大的薄膜鏡片，不需要消耗能量而以太陽的輻射壓作為推進動力的一種結(jié)構(gòu)。在太空中運行的航天器處于失重狀態(tài)，又無空氣阻力，只要有少許外力，就會改變運動方向和速度，這樣一來，即使面積不大的太陽帆也可能作為飛船的動力派上用場。
　　但飛船在大氣層升空時，若太陽帆打開，會產(chǎn)生巨大的阻力，而且由于摩擦生熱，太陽帆的結(jié)構(gòu)可能遭到破壞。航天專家從花瓣結(jié)構(gòu)中得到啟示：當花瓣關(guān)閉時，花瓣占用的體積最小，并且能夠很好地保護花蕊；當花瓣完全開放時，其相互遮擋程度最小，讓雌蕊最大程度地接受來自各方的花粉。日本宇宙航空開發(fā)機構(gòu)設(shè)計出了能像花瓣一樣自主開閉的太陽帆。2010年6月11日，日產(chǎn)的太陽帆飛船在距地球約770萬千米的太空中順利展開了邊長14米的正方形帆。研究人員希望在未來，這樣的太陽帆能為宇宙飛船在各種情況下提供動力。
　　
　　長頸鹿的啟示
　　
　　長頸鹿之所以能將血液通過長長的頸部輸送到頭部，是由于長頸鹿的血壓很高。據(jù)測定，長頸鹿的血壓比人的正常血壓高出兩倍。這樣高的血壓為什么不會使長頸鹿患腦溢血而死亡呢?這與長頸鹿身體的結(jié)構(gòu)有關(guān)。首先，長頸鹿血管周圍的肌肉非常發(fā)達，能壓縮血管，控制血流量；同時長頸鹿腿部及全身的皮膚和筋膜繃得很緊，利于下肢的血液向上回流。科學家由此受到啟示，在訓練宇航員時，讓宇航員每天鍛煉幾小時，以防止他們血管周圍的肌肉退化；在宇宙飛船升空時，科學家根據(jù)長頸鹿利用緊繃的皮膚可控制血管壓力的原理，研制出了飛行服——“抗荷服”。抗荷服上安有充氣裝置，隨著飛船飛行速度的增高，抗荷服可以充入一定量的氣體，從而對血管產(chǎn)生一定的壓力，使宇航員的血壓保持正常。同時，宇航員腹部以下部位是套入抽去空氣的密封裝置中的，這樣可以減小宇航員腿部的血壓，利于身體上部的血液向下輸送。
　　
　　生物膜特征的啟示
　　
　　模擬生物膜的選擇透過性，反滲透技術(shù)可以用最低的成本、最短的時間、最小的功耗對大量污水進行處理，將所有雜質(zhì)摒除在外，把污水轉(zhuǎn)化為潔凈淡水。在宇宙飛船中，反滲透設(shè)備是必不可少的，它可以把人類的汗液和排泄物中的水分進行集中處理，以供循環(huán)利用。
　　
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